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第五章 分子发光分析法

第五章 分子发光分析法. 前面一章我们学习了紫外－可见吸收光谱法，分子吸收紫外可见光发生电子能级的跃迁，那么跃迁之后的情况怎么样？（如何弛豫？） 一个途径就是产生光辐射（发光） —— 荧光和磷光. 一、基本原理 1 、分子的激发态和基态：不论是分子轨道还是原子轨道上的电子都有一套特有的描述其运动状态的量子数。 根据 Pauli Exclusion Principle ，每个轨道上最多容纳 2 个自旋方向相反的电子。 s = + 1/2 or - 1/2 总自旋量子数： S = å si. 能级的多重性： 2S ＋ 1

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第五章 分子发光分析法

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Presentation Transcript

  1. 第五章 分子发光分析法 前面一章我们学习了紫外－可见吸收光谱法，分子吸收紫外可见光发生电子能级的跃迁，那么跃迁之后的情况怎么样？（如何弛豫？） 一个途径就是产生光辐射（发光）——荧光和磷光

  2. 一、基本原理 1、分子的激发态和基态：不论是分子轨道还是原子轨道上的电子都有一套特有的描述其运动状态的量子数。 根据Pauli Exclusion Principle，每个轨道上最多容纳2个自旋方向相反的电子。 s = + 1/2 or - 1/2 总自旋量子数：S = å si

  3. 能级的多重性：2S＋1 当S＝0时，即2S＋1＝1，称为单重态； 当S＝1/2时，即2S＋1＝2，称为双重态（只有一个电子）； 当S＝1时，即2S＋1＝3，称为叁重态 基态单重态S0 基态双重态D0 激发态 激发态 基态 基态

  4. 激发单重态 S1 激发叁重态 T1 激发态 激发态 基态 基态 Multiplicities: S0 - common, diamagnetic (not affected by B fields) D0 - unpaired electron, many radicals, two equal energy states T1 - rare, paramagnetic (affected by B fields) (T0 - doesn't exist, not ground state)

  5. S2 S1 T1 S0 分子的电子能级示意图

  6. 注意: （1）没有基态叁重态； （2）从S0到T1的跃迁是禁阻的； （3）Energy(S1)>Energy(T1) (difference is energy required to flip electron spin)； （4）多数分子含有偶数电子，分子的电子基态多为单重态； （5）叁重态有顺磁性。

  7. 基态分子 激发态 2、荧光的产生 hv 回到基态，如何回去？

  8. T1 S1 S0 l1 l2 分子的吸收情况 S2

  9. T1 S1 S0 l1 l2 振动弛豫：在同一电子能级（激发态）… S2 特点：无辐射；速率快（10-14～10-12 s内完成）

  10. T1 S1 S0 l1 l2 内转移（internal conversion) ：相同多重性的两个电子能级之间的非辐射跃迁 S2

  11. 内转移的特点 （1）无辐射； （2）速率取决于两个能级之间的能量差，相邻单重激发态之间能级接近，振动能级常常发生重叠，内转移很快； （3）分子无论被激发到哪一个电子激发态，在10-13～10-11 s内经内转移和振动弛豫都会跃迁到最低的电子激发态的最低振动能级上； （4）So到S1的能级差较大，内转移的速率相对较小，故S1的寿命较长。

  12. T1 S1 S0 l1 l2 S2 荧光发射 Fluorescence l3

  13. l2 l3> l1 > l2 Only l3 l1 l3

  14. T1 S1 S0 l1 l2 Intersystem Crossing S2 系间窜跃 磷光发射 Phosphorescence l4

  15. 磷光发射的特点 （1）禁阻跃迁，发光速率慢，持续时间长10-4～100s； （2）从T1也有回到S1，然后S1到S0发出荧光，叫延迟荧光； （3）电子由S0到T1几率极小，是禁阻跃迁。 外转移：指受激分子与溶剂或其它分子的相互作用及能量转移，使荧光或磷光强度减弱或消失的过程。

  16. T1 S1 S0 l1 l2 外转移 External Conversion

  17. T1 S1 S0 l1 l2 系间窜跃 延迟荧光 l3

  18. 二、荧光效率及其影响因素 1、荧光效率：物质吸收了紫外可见光后，跃迁至激发态，激发态分子是以辐射跃迁还是以非辐射跃迁弛豫，决定了物质能否发荧光。 荧光效率指的是以辐射跃迁弛豫的分子数目占总激发态分子数目的比例。 Ff＝Nfluoresence/Nexcited　（0.0～1.0）

  19. Ff越大，表示辐射跃迁的概率越大，发光强度越大！Ff越大，表示辐射跃迁的概率越大，发光强度越大！ 以各种跃迁的速率常数（荧光发射，VR，IC，isc等）来代替N表示Ff，得 Ff＝kf/（kf+Ski） 其中：kf表示荧光发射过程的速率常数； Ski表示其它非辐射跃迁过程的速率常数之和。 一般而言，kf主要取决于分子结构。而Ski主要取决于化学环境。

  20. 2、荧光与分子结构的关系： 物质只有能够吸收紫外可见光，才可能发射荧光；要吸收紫外可见光，分子中必须含有共轭双键。 （1）跃迁类型对荧光的影响： 吸收光：n-p*，p-p* 辐射光： p* － n ， p*－ p（s）荧光

  21. 什么情况下有利于荧光发射？ （i）摩尔吸光系数大，有利于荧光： p*－ p跃迁比 p* － n强1000倍； （ii）寿命短辐射光： p*－ p（10-7～10-9s） p* － n （ 10-5～10-7s） （iii）系间窜跃至叁重态的速率常数小，有利于发荧光

  22. （2）共轭效应对荧光的影响 实验证明：芳香族化合物易产生荧光，且共轭体系越大，p电子的离域性越强，越易被激发而产生荧光（荧光效率高。注意：能够发荧光的脂肪族和脂环族化合物极少。 Ff: 0.29 Ff: 0.46

  23. 再如： Ff: 0.28 Ff: 0.68 共轭体系增加，荧光效率增大！

  24. （3）荧光物质的刚性和共平面性增加，可使分子与溶剂或其它溶质分子的相互作用减小（即外转移能量损失减小），有利于荧光发射。（3）荧光物质的刚性和共平面性增加，可使分子与溶剂或其它溶质分子的相互作用减小（即外转移能量损失减小），有利于荧光发射。 例如： Fluorene（芴） Ff: 1.0 Ff: 0.20

  25. 再如：8－羟基喹啉（弱荧光），当与Mg2+络合后，为强荧光物质。再如：8－羟基喹啉（弱荧光），当与Mg2+络合后，为强荧光物质。 又如： 滂铬BBR，无荧光 红色荧光

  26. （4）取代基效应 （i）给电子的取代基：如－OH，－NH2，－NR2，－OR等，p-p共轭，使荧光增强。 （ii）吸电子的取代基：如－NO2，－COOH，－NO等使荧光减弱。如：苯胺>苯，而硝基苯为非荧光物质。 （iii）卤素取代基随原子序数的增加，物质的荧光减弱，而磷光增强（重原子效应）。

  27. （iv）空间取代基效应 Ff＝0.03 Ff＝0.75 扭转离开了平面构型，影响了p-p共轭作用

  28. （v）立体异构现象 强荧光 无荧光

  29. 3、环境因素对荧光的影响： （1）溶剂的极性：电子激发态比基态的极性大，溶剂的极性增强，荧光强度增大，荧光波长红移。 巯基喹啉在不同溶剂中的荧光峰和荧光效率

  30. （2）温度：温度升高，Kf不变，但非辐射跃迁的速率常数增大，是故荧光效率降低。（2）温度：温度升高，Kf不变，但非辐射跃迁的速率常数增大，是故荧光效率降低。 （3）pH值：含酸性或碱性取代基的化合物荧光性质受pH的影响。 如： 蓝色荧光 无荧光

  31. 再如： 蓝色荧光 无荧光

  32. （4）表面活性剂：有利于荧光发射。 （5）O2的存在：O2为顺磁性分子，溶液中溶解氧的存在，常常导致荧光降低，甚至熄灭，这可能是处于单重激发态的荧光物质的分子相互作用，加速系间窜跃（几率增大）所致。

  33. 三、荧光强度与溶液浓度的关系 以If表示荧光强度，以Ia表示吸收光的强度，根据荧光效率的定义，则: If ＝ Ff×Ia If ＝ Ff×（I0－I） I0为入射光强度，I为透射光强度。 根据比尔定律：A＝logI0/I可得 I＝I0×10-A

  34. I＝I0×10-A＝ I0× 10-ebc If ＝ Ff×（I0－I）＝ Ff× I0（1－ 10-A ） 级数展开 If ＝ Ff× I0（2.3A－(-2.3A)2/2! －(-2.3A)3/3! －…） 若溶液的浓度很稀，A<0.05，则高次项可忽略： If ＝ Ff× I0 ×2.3A ＝2.3 Ff I0A＝ 2.3 Ff I0ebc 当I0一定时： If ＝ KC

  35. 但在高浓度时，If ＝ KC不成立 原因： （1）高次项 （2）自熄灭现象，自吸收现象 If C

  36. （3）荧光猝灭：荧光物质分子与溶剂或溶质分子之间发生的导致荧光强度下降的物理化学过程叫荧光猝灭。（3）荧光猝灭：荧光物质分子与溶剂或溶质分子之间发生的导致荧光强度下降的物理化学过程叫荧光猝灭。 荧光猝灭剂：如O2，溴化物，碘化物等。 关于自猝灭：碰撞熄灭和自吸收： M*＋ M* M hn M 自吸收

  37. 四、荧光仪器：荧光光度计 Recorder PMT

  38. 五、荧光分析法的应用 1、无机化合物：间接测定60余种元素 2、有机物的测定：如丙三醇，蒽，多环芳烃等

  39. M* DH M 六、化学发光分析法的简介 1、概述：某些物质在进行化学反应时，由于吸收了反应时产生的化学能，而使反应产物分子激发至激发态，受激分子由激发态回到基态时，便发出一定波长的光。这种吸收化学能使分子发光的过程称为化学发光。利用化学发光反应而建立起来的分析方法称为化学发光分析法。

  40. 化学发光也发生于生命体系，这种发光称为生物发光。化学发光也发生于生命体系，这种发光称为生物发光。 萤火虫发光

  41. 2、化学发光分析的基本原理 化学发光是吸收化学反应过程产生的化学能，而使反应产物分子激发所发射的光。任何一个化学发光反应都应包括化学激发和发光两个步骤，必须满足如下条件： （1）化学反应必须提供足够的激发能，激发能主要来源于反应焓，170～300 KJ/mol。 （2）反应途径要有利于激发态产物的形成，使化学反应的能量至少能被一种物质所接受并生成激发态。

  42. （3）激发态分子跃迁回基态时要释放光子，而不是以热的形式释放能量。（3）激发态分子跃迁回基态时要释放光子，而不是以热的形式释放能量。 问题： i、有多少参加化学反应的分子被激发？ ii、是不是所有的激发态分子都发光？ iii、综合起来，参加化学反应的分子有多少发光？

  43. i、有多少参加化学反应的分子被激发？ 定义： r为生成激发态分子的化学效率＝激发态分子数/参加反应的分子数 r取决于化学反应，对于特定的反应在一定的实验条件下化学效率为常数。

  44. ii、是不是所有的激发态分子都发光？ 定义： f为激发态分子的发光效率＝发射的光子数/激发态的分子数 f的影响因素：（1）发光体本身的结构和性质；（2）环境。

  45. iii、参加化学反应的分子有多少发光？ 定义： cl为化学发光效率＝发射的光子数/参加反应的分子总数 cl＝r  f 最高效率为100％：生物发光 化学发光的效率一般小于5％。

  46. 化学发光强度Icl 化学发光反应的发光强度Icl是以单位时间内发射的光子数表示。它与化学发光反应的速率有关，而反应速率又与反应分子浓度有关。即： Icl（t）＝ cl  dc/dt Icl（t）表示t时刻的化学发光强度，dc/dt是分析物参加反应的速率。

  47. 对上式积分 发光强度与分析物浓度成正比。 也可以用峰高定量！

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